Wir bauen diese Schaltung in mehreren Schritten auf.
1. Wir bauen diesen 1000:1 Teiler auf, um unsere Tonfrequenz auf einen kleinen Wert zu bekommen. Prüfen mit Oszi.
Wir messen ca. 9mVpp als Amplitude, also wirklich sehr klein, praktisch an der Messgrenze mit dem Oszi.
2. C1, Q1, R1, Emitter auf Masse
Es fliesst kein Strom, das kennen wir schon.
Wir schalten C1 an unseren Spannungsteiler
Die ca. 9mV reichen nicht, um die Basisflussspannung zu erreichen, es passiert nichts. Wir müssen also den Arbeitspunkt besser einstellen. Aber anstatt eines Potis gehen wir diesmal anders vor (Potis sind teuer und das Einstellen ist Aufwand. Denke an die Massenfertigung dieses Verstärkers! Wer will schon jeden Tag 1000 Potis einstellen?).
3. R2, R3
Wir bauen erst mal nur den Spannungsteiler aus R2 und R3 ohne den Mittelpunkt irgendwo anzuschliessen. Welche Spannung wir wohl am Mittelpunkt haben?
Das können wir leicht mit dem Ohm'schen Gesetz ausrechnen. Zuerst brauchen wir den Gesamtwiderstand R des Spannungsteilers:
R = R2 + R3 = 82k + 12k = 94k
Dann rechnen wir aus, welcher Querstrom Iq durch den Spannungsteiler fliesst:
Iq = U / R = 9V / 94k = 96µA
Dieser Strom fliesst durch jeden der beiden Widerstände, also auch durch R3. Nun können wir die Spannung an R3 ausrechnen:
U3 = R3 * Iq = 12k * 96µA = 1.2V
Wir messen die Spannung an R3 und vergleichen mit unserer Rechnung.
Sollten sich grobe Abweichungen ergeben, woher könnte das stammen?
Tatsächlich ergaben sich bei meinem Probeaufbau grobe Abweichungen. Ich hatte R2 und R3 vertauscht! Aber auch danach konnte ich nur U3 = 1.0V messen. Ich habe die Widerstände (Schaltung spannungslos machen!) nachgemessen (dazu die Verbindung auftrennen, weil sonst Ströme über andere Schaltungsteile fliessen können, was den Wert verfälscht) und tatsächlich war R2 um 10k zu groß! Nachdem ich einen besser passenden Wert eingelötet hatte, stimmten auch die 1.2V. Also immer nachmessen!!
4. R4
Wir bauen R4 ein, C3 lassen wir erst mal noch weg. Wir erkennen, dass wir hier einen Emitterfolger aufgebaut haben: die Spannung an R4 wird der Basisspannung folgen, jedoch um die Flussspannung von 0.6V verringert. Dabei ist der Eingangswiderstand hoch (400 * 100 Ohm = 40k), sodass unser Spannungsteiler nicht zu stark belastet wird. Als Faustregel sollte der Querstrom ca. 5 mal so groß sein, wie der Basisstrom. Schauen wir mal, ob das hinkommt.
Die Spannung an R4 haben wir ja grad ausgerechnet: U4 = 0.6V. Damit fliesst durch R4 und den Emitter der Strom Ie:
Ie = U4 / R4 = 0.6V / 100Ohm = 6mA
Damit können wir nun den Basisstrom Ib ausrechnen:
Ib = Ie / 400 = 6mA / 400 = 15µA
Und jetzt schauen wir, ob das Verhältnis stimmt:
Iq / Ib = 96µA / 15µA = 6.4
Prima, 6.4 ist größer als 5, unsere Faustregel ist erfüllt.
Wir messen nun (mit angeschlossener Basis) nochmal die Spannung an R3: sie wird durch die Belastung durch die Basis leicht (auf ca. 1.1V) abgesunken sein, was aber nicht dramatisch ist.
Wir verbinden jetzt den R2-R3 Spannungsteiler mit der Basis und messen die Spannung an Basis, Emitter und Collector.
An der Basis sehen wir jetzt neben der DC-Vorspannung von 1.1V auch die 9mVpp AC-Spannung (Oszi dazu auf AC-Kopplung schalten).
Am Emitter sieht es ähnlich aus: DC-Vorspannung von 0.5V und AC-Spannung von 9mVpp.
Am Collector sehen wir die verstärkte AC-Spannung: ca. 100mVpp! Das ist aber irgendwie auch enttäuschend, denn das ist nur eine Verstärkung um den Faktor 10. Warum ist die Verstärkung so mickrig?
Unser Emitterfolger erzeugt am Emitter nicht nur eine DC-Gegenkopplung sondern auch die AC-Spannung wird durch den 100 Ohm Widerstand abgeschwächt. Was tun?
Wir bauen C3 ein Wir schauen nun die AC-Spannung am Emitter an Die Spannung ist dort nun fast nicht mehr messbar, so klein ist sie. Damit schadet sie uns nun auch nicht mehr.
Wir haben nun eine andere Möglichkeit kennengelernt, den Arbeitspunkt einzustellen. Die Gleichstrom-Gegenkopplung im Emitter über R4 stabilisiert den Arbeitspunkt zusätzlich, da der Transistor nun Gleichspannungen kaum mehr verstärkt. Wenn sich die Vorspannung nun etwas ändert, so wirkt sich das kaum mehr aus. Die Wechselspannung wird aber weiterhin sehr gut verstärkt. Wir können an den Ausgangskondensator C2 nun einen Lautsprecher anschliessen C2 trennt die Gleichspannung ab und lässt nur die Tonfrequenzen durch. Wir können testweise den Lautsprecher ohne Kondensator direkt an den Collector anschliessen.
Leider ist es doch recht leise und die Spannung bricht sofort total zusammen, da der Lautsprecher nur einen Widerstand von ca. 8 Ohm hat.
Allerdings sollten wir für diese "Endstufe" einen leistungsfähigeren Transistor verwenden, denn wir erwarten hier Ströme um
I = U / R = 1V / 8Ohm = 125mA
was den BC547 laut Datenblatt bereits überlasten würde, sowohl vom Strom her (der BC547 sollte nicht über 100mA Collectorstrom tragen) als auch von der Verlustleistung her (max. 500mW):
P = U * I = (9V - 1V) * 125mA = 1Watt
Dafür würde sich z.B. der BD137 anbieten, insbesondere, wenn wir ihm einen kleinen Kühlkörper spendieren. Leider sehen wir im Datenblatt auch, dass seine Verstärkung nur ca. 40-fach beträgt (je nach Gruppe, siehe im Datenblatt ganz unten). Dies ist allgemein so: Transistoren mit mehr erlaubter Verlustleistung verstärken weniger gut. Wenn das DMM diese Funktionalität bietet, sollten wir die Stromverstärkung einfach messen. Für meinen Testaufbau hatte der verwendete BD137 eine Verstärkung von immerhin B = 127.
Wir bauen die zweite Verstärkerstufe auf, lassen C2 und C4 aber vorerst weg. Wir müssen für Q2 ja auch den Arbeitspunkt einstellen. Das können wir ganz gut machen, indem wir gleich die schon einigermassen auf halbe Betriebsspannung eingestelle Collectorspannung von Q1 dafür verwenden. Allerdings ist die mit ca. 3.6V (das habe ich bei mir gemessen. Selbst eure Spannung am Collector von Q1 messen!) viel zu hoch, da wir an unserem Rls = 8 Ohm Lautsprecher höchstens 1V haben wollen. Rechnen wir mal. Wir hatten gesagt, Q2 soll ca. 125mA Emitterstrom haben.
Ue = Ie * Rls = 125mA * 8Ohm = 1V
An der Basis brauchen wir um die Flussspannung der Basis-Emitter-Diode von Q2, die ca. 0.6V beträgt, mehr Spannung, also
Ub = Ue + 0.6V = 1.0 + 0.6 = 1.6V
Da sind unsere 3.6V am Collektor von Q1 zu viel, das müssen wir verringern, wir müssen also an dem Widerstand R5
U5 = 3.6V - 1.6V = 2.0V
"vernichten". Wie groß muss der Widerstand R5 ungefähr sein? Dazu müssen wir wissen, wieviel Strom in der Basis von Q2 fliessen wird. Das bekommen wir über die Stromverstärkung raus:
Ib = Ic / B = 125mA / 127 = 1mA
R5 = U5 / Ib = 2V / 1mA = 2kOhm
Das ist ein Anfang. Wir können einen naheliegenden Wert aus der E12 Reihe verwenden, z.B. 2.2k oder 1.8k. Ich habe 2.7k verwendet. Man muss da ein wenig experimentieren.
Wir hören etwas im Lautsprecher, besser als vorher, aber noch nicht super laut. Das liegt daran, dass R5 nicht nur die Gleichspannung behindert, sondern auch die Wechselspannung, unser Signal. Daher bauen wir jetzt C2 ein, der die Wechselspannung durchlässt, aber die Gleichspannung blockiert.
Das Signal im Lautsprecher ist nun wesentlich lauter, damit kann man leben!
Wir können nun noch verschiedene Spannungen und Ströme in der Endstufe Q2 messen und vergleichen, ob das mit unseren Rechnungen übereinstimmt. Da wir nun wesentlich mehr Strom ziehen kann es sein, dass der Widerstand der Stromversorgungsleitungen ein Signal vom Ausgang zum Eingang rückkoppeln kann, was zu einem schnarrenden Geräusch führen kann. Wenn dem so ist, dann können wir C4 einbauen, der die Betriebsspannung siebt und alle Wechselstromsignale auf der Betriebsspannung kurzschliesst. Das Schnarren ist dann schnell weg.
Man verwendet diese Art der Arbeitspunkteinstellung sehr gerne wenn man keinen super hohen Eingangswiderstand braucht, weil sie recht unempfindlich gegen Schwankungen und Bauteilstreuungen ist und keine Einstellung erfordert.
Widerstandsanpassung
Die Collectorschaltung (Emitterfolger) hat dank der Stromverstärkung des Transistors einen wesentlich kleineren Ausgangswiderstand als Eingangswiderstand, das haben wir schon gesehen, als wir einen sehr hochohmigen Eingang brauchten. Wir können das aber auch verwenden, um einen sehr niederohmigen Ausgang zu bekommen.
